Анализ методов сокращения пригара на стальном литье (стр. 2 из 16)

Если формовочная смесь смачивается жидким металлом, то последний проникает (всасывается) в поры формы без приложения к жидкому металлу внешнего давления. Проникновению способствует неизбежное окисление металла при выплавке и заливке, поскольку окислы смачивают формовочный материал.

Механизм образования

В общем виде механизм образования пригара может быть описан формулой Пуазейля, если рассматривать форму как пористое тело, состоящее из пучка капилляров диаметром 2r и длиной l (1):

где τ – продолжительность процесса;

η- вязкость промежуточного соединения;

p- давление, под которым это соединение проникает в поры формы;

Q- количество проникающего в капилляры смеси промежуточного соединения.

За время

прирост объема жидкости dQ в капилляре может быть выражен в виде

Тогда после постановки значения для dQ

Отсюда

или

Следовательно, за время τ промежуточное соединение вязкостью η проникает в капилляры диаметром 2r под давлением р на глубину l:

(1)

где

Пригар образуется, если промежуточное соединение проникает в форму на глубину l, превышающую радиус зерна r.

Поэтому необходимым, но еще не достаточным условием для устранения механического пригара является выраженное в критериальном виде условие

Приведем формулу (1) к такому же критериальному виду

Для уточнения формулы следует рассмотреть входящие в нее величины р, τ и η при условии, что свойства формы не изменяются во времени.

Приведение выражения к критериальному виду подчеркивает необходимость определения не глубины проникновения промежуточного пригарного слоя, а условий, обеспечивающих полное отсутствие механического пригара.

Давление р складывается из трех составляющих.

1. р1- статического давления жидкого металла на поверхности формы. Если высота слоя жидкого металла Н см, а плотность γ г/см³, то давление этого слоя составит

г/см² = кГ/см²

2. р2- противодавление газов в форме. Оно может быть положительными отрицательным; обычно принимается положительным как результат выделения газов формой при ее нагреве. Но противодавление может быть и отрицательным, если применять искусственный отсос газов из формы, например, при изготовлении крупных отливок; отсос должен применяться только после образования на поверхности отливки достаточно прочной корки затвердевшего металла.Непосредственные измерения показали, что давление р2 может дойти до 0,1 кГ/см²; при изготовлении низких отливок нельзя пренебрегать давлением газов.

3.ps-капиллярного давления:

При полном смачивании cos φ = 1 и радиусе зерна 0,1 мм это давление

может дойти до 0,2 кГ/см², т. е. до величины, сопоставимой с металлостатическим давлением.

Таким образом, полное давление

или, в развернутом виде,

Существует еще давление от усадки металла на стенки формы, которое возникает после затвердевания отливки. Однако учесть это давление в настоящее время не представляется возможным. Между тем, оно имеет очень большое практическое значение.

Величина τ, характеризующая продолжительность процесса образования механического пригара, зависит от продолжительности пребывания металла в жидком состоянии, которая может быть связана с приведенной толщиной отливкиR:

откуда

Для усредненных расчетов можно принять m=0,1. Продолжительность пребывания поверхности металла в жидком состоянии заведомо и значительно меньше продолжительности полного затвердевания отливки. Поэтому следует принять

Необходимо подчеркнуть, что в данном случае разбираются условия образования механического пригара. Химический пригар может образоваться значительно позднее, после полного затвердевания отливки.

Входящую в формулу (1) вязкость можно определить по упрощенной формуле в зависимости от температуры Т:

где ηн и ηт - вязкости при начальной и искомой температурах.. После подстановки полученных значений формула (1) приобретает вид

(2)

где Сз - эмпирически определяемый коэффициент.

Приведенная к критериальному виду формула может быть выражена в виде неравенства

(2)

Глубина проникновения пригарного соединения имеет подчиненное значение по сравнению с требованием создания условий, при которых это соединение не проникает на глубину, превышающую радиус зерна.

Из неравенства (1) следует:

1. На пригар оказывает очень большое влияние величина отливки, от которой зависит металлостатический напор и продолжительность образования корки на поверхности отливки. Поэтому целесообразно противопригарные мероприятия проводить с учетом размера отливок.

2. В слагаемом -

формулы (1) поверхностное натяжение жидкого металла изменяется от 0,6 до максимум 1,5 г/см, cos φ от +1 до -1, радиус зерна-десятикратно. В целом это слагаемое заслуживает значительного внимания.

3. Слагаемое р2 изучено недостаточно. Можно полагать, что изменение р2 существенно влияет на процессы, происходящие в форме, в частности на пригар.

4. Вязкость пригарного соединения изменяется не более чем в 2 раза и оказывает подчиненное влияние.

5. Продолжительность пребывания поверхности металла отливки при температурах возможного взаимодействия с поверхностью формы зависит от толщины отливки, коэффициента затвердевания, от температуры заливки.

1.3. Химический пригар

Возникает в отливках из сплавов с высокой температурой плавления в результате сложных реакций междуметаллом отливки, его окислами и материалом формы. В отличие от механического пригара зерна песка в пригоревшем слое связываются главным образом продуктами химических реакций, протекающих при высоких температурах, преимущественно силикатами.

На поверхность раздела металл - форма окислы компонентов сплава поступают двумя путями: в небольшом количестве - в виде окислов, растворенных в расплаве и образующихся во время выплавки и заполнения формы, а главным образом вследствие окисления раскаленной затвердевающей поверхности отливки. Массивная отливка из стали дольше находится в раскаленном состоянии, и поэтому на ее поверхности образуется больше окислов.

Считают, что пригар не образуется в двух случаях: когда поверхность отливки не окислена или окислена очень сильно. На неокисленной поверхности металла пригар образоваться не может, так как во взаимодействие с кремнеземом формы вступают только окислы металла; взаимодействие неокисленного металла с кремнеземом маловероятно.

Например, в мелких быстроостывающих отливках, где на поверхности металла образуется слой окислов незначительной толщины, для предотвращения пригара достаточно применить огнеупорные припыл или тонкий слой краски, чтобы предотвратить непосредственный контакт окислов металла с кремнеземом формы. Гораздо труднее избежать пригара на отливках среднего развеса, где окислы на поверхности отливок образуются в больших количествах, чем на мелких, но все же недостаточных для получения слоя окислов оптимальной толщины, обеспечивающих получение легкоотделяемого пригара.

На толстостенных отливках, полученных в жидкостекольных формах без применения покрытий, образуется легкоотделяемый пригар, поскольку сталь легко окисляется и дает большое количество окислов в пригарной корке.

Образующаяся на поверхности отливок закись железа FeO имеет температуру плавления 1380° С, поэтому на поверхности даже закристаллизовавшейся стальной отливки она может находиться в жидком состоянии довольно долгое время. Окислы железа хорошо смачивают кварцевый песок и под действием капиллярного давления легко проникают в поры литейной формы, вступая в реакцию с кремнеземом: